AA2003/04 © M.A. Alberti Programmazione Strutture dati 1 Programmazione Corso di laurea in Informatica.

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1 AA2003/04 © M.A. Alberti Programmazione Strutture dati 1 Programmazione Corso di laurea in Informatica

2 AA2003/04 © M.A. Alberti Programmazione Strutture dati 2 Le strutture dati I programmi lavorano su informazioni Le informazioni sono spesso organizzate in tavole Che non sono semplicemente una massa di dati numerici Ma è che coinvolgono relazioni strutturali tra i dati In genere cè molta più informazione strutturale tra i dati di quella che sia necessario rappresentare

3 AA2003/04 © M.A. Alberti Programmazione Strutture dati 3 Proprietà delle strutture dati Le strutture dati hanno proprietà statiche e dinamiche che possono essere molto diverse Le strutture dati devono essere rappresentate e implementate nei linguaggi di programmazione Spazio di memoria per larchiviazione La rappresentazione influenza le funzionalità Creazione, manipolazione, ricerca, accesso

4 AA2003/04 © M.A. Alberti Programmazione Strutture dati 4 Rappresentazione della struttura dati Decidere caso per caso quanta struttura rappresentare Occorre considerare non solo la struttura dati ma anche la classe doperazioni da effettuare sui dati La rappresentazione dipende tanto dalle proprietà intrinseche delle struttura dati quanto dalle funzionalità che si desiderano Forma e funzione

5 AA2003/04 © M.A. Alberti Programmazione Strutture dati 5 Tabelle dinformazioni Nella forma più semplice una tabella è una lista lineare di elementi La sua relazione strutturale più importante consente di rispondere a domande come Chi è il primo della lista? Chi è lultimo? Chi precede e chi segue un dato elemento? Quanti elementi ci sono nella lista? In altri casi una tabella può essere a 2 o più dimensioni Può avere una struttura gerarchica ad albero Può essere una struttura più complessa con ramificazioni a reticolo

6 AA2003/04 © M.A. Alberti Programmazione Strutture dati 6 Liste lineari Un insieme di n 0 di nodi le cui proprietà strutturali coinvolgono essenzialmente solo le posizioni lineari (a 1-dimensione) relative dei nodi Se n 0, x[1] è il primo nodo allora k con 1<k< n, il k-esimo nodo x[k] è preceduto dal nodo x[k-1] ed è seguito dal nodo x[k+1]; inoltre x[n] è lultimo nodo

7 AA2003/04 © M.A. Alberti Programmazione Strutture dati 7 Operazioni sulle liste Le operazioni che vogliamo eseguire su una lista, includono (non esclusivamente): Accedere al k-esimo nodo Inserire un nuovo nodo in una posizione opportuna Eliminare il k-esimo nodo Unire 2 o più liste Fare una copia di una lista Determinare il numero di nodi in una lista Ordinare i nodi di una lista secondo un criterio Cercare le occorrenze di una nodo con un particolare valore

8 AA2003/04 © M.A. Alberti Programmazione Strutture dati 8 Particolari liste Sono frequenti liste lineari in cui inserimenti, cancellazioni e accesso ai dati avvengono quasi sempre solo in prima o in ultima posizione Stack o pila. Inserimenti e cancellazioni (e spesso anche gli accessi) avvengono solo a un estremo della lista Coda. Inserimenti avvengono a un estremo della lista e le cancellazioni allaltro Deque (coda a doppi estremi). Inserimenti e cancellazioni possono avvenire ai 2 estremi della lista

9 AA2003/04 © M.A. Alberti Programmazione Strutture dati 9 Esempio Un binario morto ad una stazione di testa èrappresentabile con uno stack. Il primo treno ad uscire è lultimo che è entrato

10 AA2003/04 © M.A. Alberti Programmazione Strutture dati 10 Nomenclatura Spesso vengono usati altri nomi per indicare stack e liste in genere LIFO. Last In First Out, per stack FIFO. First In First Out, per le code In particolare per gli stack si usano i termini Top o cima per indicare il primo elemento dello stack Bottom o fine per indicare lultimo elemento Pop per eliminare lelemento al top Push per inserire un nuovo dato

11 AA2003/04 © M.A. Alberti Programmazione Strutture dati 11 Rappresentazione di una lista A seconda della classe di operazioni più frequenti è utile una particolare rappresentazione Non esiste una singola rappresentazione che rende le operazioni tutte ugualmente efficienti Laccesso random alla k-esimo nodo è diffcile se contemporaneamente inseriamo e cancelliamo nodi Distinguiamo rappresentazioni di liste in funzione delle principali operazioni da eseguire

12 AA2003/04 © M.A. Alberti Programmazione Strutture dati 12 Liste statiche vs dinamiche Le liste statiche sono quelle che adottano una rappresentazione statica Viene allocata unarea di memoria di dimensione prefissata quindi hanno una dimensione fissa Le liste dinamiche adottano una rappresentazione dinamica Larea di memoria per archiviare i nodi viene riservata dinamicamente in esecuzione quando serve Possono avere una dimensione non prefissata

13 AA2003/04 © M.A. Alberti Programmazione Strutture dati 13 Implementazione di pile public void push(Object o) Aggiunge loggetto passato come parametro sullo stack. Se lo stack è pieno solleva una OutOfBoundsStackException public Object pop() Riporta il riferimento delloggetto che sta al top dello stack. Se lo stack è vuoto solleva una EmptyStackException public boolean empty() Riporta true se lo stack è vuoto, false altrimenti Stack() Il costruttore che costruisce uno stack vuoto

14 AA2003/04 © M.A. Alberti Programmazione Strutture dati 14 Leccezione per stack vuoto public class EmptyStackException extends RunTimeException { } Uneccezione definita come estensione di RunTimeException quindi non controllata Viene sollevata dal metodo pop()

15 AA2003/04 © M.A. Alberti Programmazione Strutture dati 15 Leccezione per stack pieno public class OutOfBoundsStackException extends RunTimeException { } Uneccezione definita come estensione di RunTimeException quindi non controllata Può essere sollevata dal metodo push()

16 AA2003/04 © M.A. Alberti Programmazione Strutture dati 16 Implementazione statica Per unimplementazione statica di stack, possiamo adottare unarray di oggetti Lo stack viene rappresentato come un array di riferimenti a Object Larray sarà predimensionato in modo conveniente Occorre tenere presente la dimensione massima dellarray Potrà sempre essere possibile andare in overflow

17 AA2003/04 © M.A. Alberti Programmazione Strutture dati 17 Implementazione statica Ogni posizione dellarray rappresenta un nodo dello stack La posizione 0 viene usata per contenere lelemento più in basso dello stack. Un indice indica la cima dello stack Stack.java e leccezioniStack.java EmptyStackException.java OutOfBoundsStackException.java

18 AA2003/04 © M.A. Alberti Programmazione Strutture dati 18 Implementazione dinamica Si usa una lista lineare concatenata Oltre allinformazioni del nodo è necessario archiviare lindirizzo del nodo successivo Ogni nodo contiene un campo per contenere il riferimento alloggetto con il valore che ci interessa archiviare 3165 7

19 AA2003/04 © M.A. Alberti Programmazione Strutture dati 19 Rappresentazione del nodo La classe che rappresenta il nodo dello stack Class NodoStack { Object dato; NodoStack pros; } La definizione è ricorsiva, cioè il nodo è definito in termini di sé stesso

20 AA2003/04 © M.A. Alberti Programmazione Strutture dati 20 Rappresentazione dello stack Per definire lo stack è sufficiente dare il riferimento alla cima dello stack La cima sarà null nel caso di stack vuoto public class Stack { private NodoStack cima ; … altri metodi }

21 AA2003/04 © M.A. Alberti Programmazione Strutture dati 21 Costruttore e metodi public Stack() { cima = null; } public boolean empty() { return cima == null; }

22 AA2003/04 © M.A. Alberti Programmazione Strutture dati 22 Il metodo push() Il metodo ha come parametro il riferimento alloggetto che deve inserire alla cima dello stack Dovrà creare un nuovo nodo Copiare il riferimento passato come parametro nel campo dato del nuovo nodo Inserire il nuovo nodo alla cima della lista

23 AA2003/04 © M.A. Alberti Programmazione Strutture dati 23 Il metodo pop() Il metodo non ha parametri. Deve eliminare il nodo alla cima dello stack Dovrà memorizzare il riferimento contenuto nella cima Eliminare la cima Riportare allambiente il riferimento memorizzato Se la lista è vuota deve sollevare uneccezione EmptyStackException

24 AA2003/04 © M.A. Alberti Programmazione Strutture dati 24 Classi interne La classe NodoStack viene usata solo dalla classe Stack e quindi viene dichiarata static e private È una risorsa privata della classe Stack che avrà accesso perciò ai suoi campi Stack.java

25 AA2003/04 © M.A. Alberti Programmazione Strutture dati 25 Le code Negli stack lelemento che si preleva è lultimo che si è inserito (LIFO) Nelle code gli elementi si inseriscono ad un estremo e prelevano allaltro (FIFO) Quindi si preleva nellordine in cui si è inserito Ad esempio: una lista dattesa

26 AA2003/04 © M.A. Alberti Programmazione Strutture dati 26 Implementazione dinamica Si può usare una lista concatenata Utile avere anche un riferimento allultimo nodo della lista 3165 7

27 AA2003/04 © M.A. Alberti Programmazione Strutture dati 27 Implementazione in Java Rappresentazione del singolo nodo class NodoCoda { Object dato; NodoCoda pros; } Rappresentazione della coda public class Coda { private NodoCoda primo, ultimo; private static NodoCoda { … } … altri metodi }

28 AA2003/04 © M.A. Alberti Programmazione Strutture dati 28 Operazioni sulla coda Inserire nodi Avviene alla fine della lista Eliminare nodi Avviene allinizio della lista

29 AA2003/04 © M.A. Alberti Programmazione Strutture dati 29 Costruttore e metodi Il costruttore costruisce una coda vuota public Coda() { primo = ultimo = null; } Funzione per inserire un nodo Costruire il nuovo nodo da inserire Collegare il nuovo nodo dopo lultimo Aggiornare il riferimento allultimo nodo public void aggiugi (Object o) { … }

30 AA2003/04 © M.A. Alberti Programmazione Strutture dati 30 Inserire nodi Creare il nuovo nodo con il dato riferito da o NodoCoda t = new NodoCoda(); t.dato = o; t.pros = null; 3165 7 20 t ultimo primo

31 AA2003/04 © M.A. Alberti Programmazione Strutture dati 31 …inserire nodi… Collegare dopo lultimo nodo ultimo.pros = t; 3165 7 20 t ultimo primo

32 AA2003/04 © M.A. Alberti Programmazione Strutture dati 32 …inserire nodi… Aggiornare il riferimento allultimo nodo ultimo = t; 3165 7 20 t ultimo primo

33 AA2003/04 © M.A. Alberti Programmazione Strutture dati 33 …inserire nodi… Ma se la coda era vuota allora if (primo == null) primo = ultimo = t; ultimo primo 20 t ultimo primo 20 t

34 AA2003/04 © M.A. Alberti Programmazione Strutture dati 34 Eliminare nodi Controllare se la coda è vuota e nel caso sollevare leccezione CodaVuotaException if (primo == null) throw new CodaVuotaException(); Eliminare il riferimento al primo nodo e riportare allambiente il riferimento contenuto nel campo dato Object risultato = primo.dato; primo = primo.pros;

35 AA2003/04 © M.A. Alberti Programmazione Strutture dati 35 …eliminare nodi… Se la lista rimane vuota dopo il prelievo, occorre ricordarsi di aggiornare ultimo if (primo == null) ultimo = null; Coda.javaCoda.java con leccezioni CodaVuotaException.javaCodaVuotaException.java e il driver ProvaCoda.java